光電探測器的選擇

要正確選擇光電探測器，首先要對探測器的原理和參數有所了解。

1.光電探測器

    光電二極管和普通二極管一樣，也是由PN結構成的半導體，也具有單方向導電性，但是在電路中它不作為整流元件，而是把光信號轉變為電信號的光電傳感器件。

    普通二極管在反向電壓工作時處于截止狀態，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相較大，以便接收入射光。光電二極管在反向電壓工作下的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增加到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換為電信號，稱為光電傳感器件。

2.紅外探測器

    光電探測器的應用大多集中在紅外波段，關于選擇紅外波段的原因在這里就不再冗余了，需要特別指出的是60年代激光的出現極大地影響了紅外技術的發展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便于移用電子技術中的外差接收技術，使雷達和通信都可以在紅外波段實現，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，紅外技術僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術用于紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個數量級。另外，由于這類應用的需要，促使出現新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術向更先進的方向發展。

    紅外線根據波長可以分為近紅外，中紅外和遠紅外。近紅外指波長為0.75—3微米的光波，中紅是指3—20微米的光波，遠紅外是指20—1000微米的波段。但是由于大氣對紅外線的吸收，只留下三個重要的窗口區，即1—3,3—5和8—14可以讓紅外輻射通過。因為有這三個窗口，所以可以被應用到很多方面，比如紅外夜視，熱紅外成像等方面。

    紅外探測器的分類：

    按照工作原理可以分為：紅外紅外探測器，微波紅外探測器，玻璃破碎紅外測器，振動紅外探測器，激光紅外探測器，超聲波紅外探測器，磁控開關紅外探測器，開關紅外探測器，視頻運動檢測報警器，聲音探測器等。

按照工作方式可以分為：主動式紅外探測器和被動式紅外探測器。

被動紅外探測器是感應人體自身或外界發出的紅外線的。主動式紅外探測器一般為對射，紅外柵欄等，是探測器本身發射紅外線。

按照探測范圍可以分為：點控紅外探測器，線控紅外探測器，面控紅外探測器，空間防范紅外探測器。

點源是探測元是一個點。用于測試溫度，氣體分析和光譜分析等

線陣是幾個點排成一條線。用于光譜分析等

面陣是把很多個點源放在儀器上形成一個面。主要用于成像。

四象限是把一個點源分成四個象限。用于定位和跟蹤。

按照制冷方式可以分為：制冷和非制冷。（后面有詳細介紹）

3.紅外探測器的參數與特性

    響應率：

所謂紅外探測器的響應率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比。即：R=Us/P。         式中 R — 響應率(V/W)；Us — 輸出電壓(V)；P — 紅外輻射功率(W)。響應率與光源的相對光譜分布、入射光的方向和偏振性、入射光的強度、輻照的均勻度、器件的溫度以及測試線路等有關。因此，在標記響應率時，需要注明測試條件。

響應波長范圍：

紅外探測器的響應率與入射輻射的波長有一定的關系，如上圖所示：

曲線1表示在測量范圍內，響應率R與波長λ無關。曲線2表示響應率R與波長λ有一定關系，在測量范圍內λp處出現一個響應率的大值，在λp的短波方面，響應率緩慢下降，而在其長波方面，則響應率快速的下降為零。我們把下降到峰值的一半所在的波長λc叫做“截止波長”，或者叫響應的“長波限”。

響應時間：

當光入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩定值或下降到照射前的值所需的時間。

噪聲等效功率(NEP)

若投射到探測器上的紅外輻射功率所產生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓均方根，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率(Noise Equivalence Power)。噪聲等效功率是一個可測量的量。

                           NEP=P_min= U_n/R=P/U_s/U_n  

 P—入射輻射功率  U_s—輸出信號電壓  U_n—輸出噪聲電壓均方根   R—響應率

探測率(D)

探測率就是探測器能探測的小輻射功率（NEP）的倒數。是衡量探測器探測能力的參數。

它表示單位入射輻射功率所產生的信噪比，當然，D值越大，表示器件的探測性能越好。D的單位是[W^-1].

任何探測器都有噪聲，比噪聲起伏平均值更小的信號實際上檢測不出來。產生如噪聲那樣大的信號所需的輻射功率，稱為探測器能探測的小輻射功率，或稱等效噪聲功率。有時用探測率描述探測器的靈敏度。

歸一化探測率(D*)

由于D表示的探測率涉及器件的面積和工作帶寬兩個因素，這樣不便于對不同面積和工作帶寬的器件進行比較，為此引入歸一化探測率D^*，其值是

式中A為器件接受面積，△f為工作帶寬。

制冷方式

1）、利用相變制冷
　　即利用制冷工作物質相變吸熱效應，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的制冷；

有液態致冷和固態致冷兩種。液態循環致冷目前廣泛用于試驗室測量和民用紅外系統。固態致冷系統主要用于航天工業，儲存的固態冷卻劑根據質量和體積，使用時間可為1至3年或更長。
2）、利用焦耳-湯姆遜效應制冷
　　即當高壓氣體的溫度低于本身的轉換溫度并通過一個很小的節流孔時，氣體的膨脹會使溫度下降。如焦-湯制冷器，特點是結構簡單、可靠性高、質量輕、體積小、無振動、無運動部件、噪聲小、成本低、致冷速度快，致冷時間通常只需15～60s（秒）。

焦-湯致冷技術又稱節流式致冷技術，是1950年代發明的，絕大多數情況下使用開環式致冷器，但仍有采用高壓壓縮機的閉式節流制冷器。早期系統由逆流式熱交換機、節流孔和裝有高壓氣體的貯氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節流制冷器作了些改進，設計了自調式制冷器。現在國外生產的焦-湯系統幾乎都配備了這種自調機構。

3）、利用氣體的等熵（shang）膨脹制冷
　　即氣體在等熵膨脹時，借膨脹機的活塞向外輸出機械功，膨脹后氣體的內位能要增加，從而要消耗氣體本身的內功能來補償，致使膨脹后溫度顯著降低。如斯特林閉循環制冷器，其特點是功耗低、尺寸小、質量輕。

斯特林致冷技術已經有50年發展歷史，在軍事上應用廣泛。首先出現的是整體式結構，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機械方式連為一體。整體式結構容易產生熱和振動影響制冷部分。針對系統存在的不足，國外也作了些改進。首先，自1972年以來，有了顯著發展，由美國休斯飛機公司研制出分置式斯特林制冷器，將壓縮機和膨脹器分開安置，中間用一根軟管相連。這種結構不僅克服了早期整體式制冷器的缺點，還保持了原有系統結構緊湊、效率高、啟動快等優點，因此頗受國外用戶重視，發展較快。其次，為了克服原有電機/曲軸這種動態結構產生的磨損而影響壽命，荷蘭飛利浦研究所于1968年開始研制用線性電機驅動線性諧振壓縮機的斯特林機。迄今為止，線性諧振斯特林機的發展已經經歷了三代
4）、利用帕爾帖效應制冷
　　即用N型半導體和P型半導體作用偶對，當有直流電通過時電偶對一端發熱，另一端變冷，如熱電制冷器，又稱為半導體或溫差電制冷器。熱電探測器的主要優點是：全固態化器件、結構緊湊、壽命長；無運動部件，不產生噪音；不受環境影響；可靠性高。缺點是制冷器的性能系數（COP）較低，致冷量小，效率低；

目前熱電制冷器主要用于手持式熱像儀，此外還可用于其它一些觀瞄系統。
5）、利用物體之間的熱輻射交換制冷
　　如在外層空間利用外層宇宙的高真空，深低溫來制冷。它的顯著特點是無運動部件、長壽命、功耗小、無振動干擾。缺點是對軌道和衛星的構形有要求，對環境要求嚴格，入軌后需經過一段時間的加熱放氣后才能工作。

6）、脈管致冷技術
　　1963年由美國低溫專家發明，直到1984年前蘇聯米庫林教授對基本型脈管做了重大改進后，使其向實用邁進關鍵性一步。脈管實際上是斯特林的變體，膨脹機內無需運動部件，結構更簡單可靠，且易于裝配和控制振動。目前其機理仍在探索中，未來將成為斯特林機強有力的競爭對手，特別是在長壽命機型中更是如此。

目前實驗室常用的是熱電制冷和液氮制冷，而外場比較常用的是熱電制冷和斯特林制冷，其余制冷方式由于種種原因沒有得到廣泛使用。